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Gasturbinenanlage mit Druckgasgenerator für feste Brennstoffe Es ist
bekannt, die in einem Generator erzeugten Brenngase unmittelbar zur Speisung von
einer oder mehreren Verbrennungskammern einer Brennkraft-Gasturbinenanlage zu benutzen,
wobei der Druck in dem Gasgenerator etwa dem des Luftkompressors der Gasturbine
entspricht. Die Verwendung eines Gasgenerators bietet außerdem vielerlei Vorteile,
wie etwa die Verwendung von Kohle geringer Qualität, von Ligniten od. dgl., sowie
die Gewinnung von Nebenprodukten großen Wertes, wie Teer, Öle od. dgl. Schließlich
verbessert der Betrieb eines Druckgenerators die Qualitäten des Brenngases und gestattet
entsprechend eine Verminderung des Raumbedarfes der Anlage. Man kann andererseits
die Speisung einer oder mehrerer Verbrennungskammern der Turbine entweder mit aus
dem Generator unter Druck gewonnenen Rohgasen oder mit den gleichen Gasen, denen
vorher die abscheidbaren Erzeugnisse großen wirtschaftlichen Wertes entzogen sind,
ins.Auge fassen.
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Zweck der Erfindung ist, eine Anlage dieser Art zu schaffen, in welcher
die Leistung der Turbinengruppe im Falle plötzlichen Kraftbedarfs sehr rasch geregelt
werden kann: Bekanntermaßen sind Gasturbinenanlagen derart eingerichtet, daß eine
Hilfsturbinengruppe vorgesehen ist und daß der Gasgenerator oder die Gasgeneratoren
mit einem höheren Druck als die
Hauptturbinengruppe und mit zwischengeschalteter
Hilfsturbinengruppe mit Gasvorwärmung vor der Hilfsturbine zur Herabsetzung des
Druckes, der aus dem oder den Gasgenerator oder -generatoren in die Brennkammer
der Hauptturbinengruppe tretenden Gase arbeitet oder arbeiten. Die Erfindung knüpft
an Anlagen dieser Art an.
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Nach der Erfindung wird die Regelung der Hauptturbinenleistung derart
vorgenommen, daß eine Umgehungsleitung mit Umgehungshahn od. dgl. parallel mit der
Hilfsturbinengruppe geschaltet ist, wobei im Falle eines erhöhten Kraftbedarfs die
Hauptturbinengruppe unmittelbar mit unter höherem Druck erzeugten Generatorgasen
gespeist werden kann.
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Es sind wohl andere Ausführungsformen der Hilfsregelung von Antriebs-
und Kompressor-Turbinen auf getrennten Wellen bekannt, aber solche Einrichtungen
betreffen keine von Hochdruck-Hochofengasen gespeiste Gasturbinen, und diese sollen
nur bei geringer Belastung die Temperatur der Gase am Austritt der Turbinen kontrollieren
und das Verhältnis der Einzelleistungen der Turbinen zueinander regeln.
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Andererseits ist das an sich bekannte Rücklaufventil, im Gegensatz
zu dessen üblicher Verwendung, im besonderen in den Dampfeinrichtungen parallel
mit der Hilfsturbine geschaltet, was bei plötzlichem Kraftbedarf der kraftabnehmenden
Maschine unmittelbar die Auslösung großer Energiereserven gestattet, die sich von
dem Hochdruck-Hochofengas herleiten. Es soll also nicht, wie bei den bekannten Einrichtungen,
das bei normalen Regeleingriffen der Teillastregelung gestörte Gleichgewicht zwischen
der Verdichter- und Nutzleistungsturbine wieder hergestellt werden, sondern es handelt
sich darum, Energiereserven auszulösen und Kraftmehrbedarf zu befriedigen.
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Der Gasgenerator kann mit einem Druck von 2o bis 3o kg/cm2 für einen
Kompressordruck der Hauptgruppe von etwa io kg/cin2 betrieben werden. Der Gasgenerator
soll weiter in geeigneten Verhältnissen arbeiten. Es wird vermieden, daß der zum
Verdichten der Gebläseluft erforderliche Kraftbedarf den Wirkungsgrad der gesamten
Einrichtung beeinträchtigt. Man verbessert auf diese Weise sowohl den Wirkungsgrad
des Gasgenerators als auch den .des Gasturbinenantriebs, wobei ferner der Raumbedarf
des Generators kleiner wird.
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Man hat schon vorgeschlagen, eine Gasturbinenarilage durch einen Hochdruckgenerator
zu speisen, wobei zwischen dem Generator und der Hauptturbine eine Expansionsmaschine
zwischengeschaltet ist. Man hat aber bisher die Vorteile dieser Anordnung für den
Kraftbedarf plötzlicher Leistungssteigerungen nicht auszunutzen gewußt.
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Man hat wohl Gasturbinenanlagen mit getrennten Verdichter- und Nutzleistungsturbinen
vorgeschlagen, die einen überladenen Gasgenerator und einen Hilfsturbinensatz zwischen
Generator- und Hauptturbinenkreislauf besitzen. Es handelt sich aber bei der Erfindung
um eine überhaupt neue Aufgabestellung. Die an sich bekannten parallelen Umgehungsleitungen
sind schaltungsmäßig ganz anderer Art und dienen anderen Aufgaben als die der Erfindung.
Die Schaltung der Umgehungsleitung auf diejenige Hilfsturbine einer Hilfsturbinengruppe,
mit der die Hauptturbinengruppe mit vorgewärmten Hochdruckgeneratorgas gespeist
wird, wie es nach der Erfindung vorgeschlagen wird, weist neue Wege für die Überlastregelung
einer Gasturbine mit überdruck-Generator. Die überraschende Wirkung der Anlage nach
der Erfi=ndung besteht darin, daß «die Leistungsreserve des überladenen Gasgenerators
für die Deckung von Spitzenleistungen erschlossen und nutzbar gemacht wird.
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Ab]). i zeigt schematisch eine normale Anordnung zur Speisung einer
Gasturbinenanlage mit Generatorpreßgas ; Abb. 2 zeigt eine Einrichtung nach der
Erfindung in ihrer einfachsten Form mit einer Hilfs-Verdichterturbinengruppe, die
die Erhöhung des Druckes im Generator sichert; Abb. 3 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen
nach der Erfindung.
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In einer normalen Anordnung (Abb. i) einer durch einen Gasgenerator
unter Druck gespeisten Gasturbine genügt es, daß der Druck im Gasgenerator nur wenig
höher. als der in der Verbrennungskammer ist, um die in den Rohrleitungen, im Gasgenerator
und gegebenenfalls in den am Austritt des Gasgenerators angeordneten Apparaten zur
Gewinnung der Nebenprodukte auftretenden Leistungsverluste auszugleichen.
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In der Zeichnung ist die Hauptgasturbinengruppe schematisch dargestellt"
durch den Luftkompressor Cl, den Wärmeaustauscher El, die Verbrennungskammer Chl
und die Gasturbine T1, die die notwendige Leistung für den Antrieb des Luftkompressors.
Cl und die vom Verbraucher Gl abgenommene 1Tutzleistung erzeugt. Der Gasgenerator
G= besitzt eine erste Gasschleuse Se zum Einlaß des Brennstoffes und eine zweite,
SS, zur Entfernung der Asche. Er wird mit Entnahmeluft aus dem Kompressor Cl gespeist.
Der durch einen Motor lWl angetriebene Ventilator V1 gestattet, die in den Rohrleitungen
und im Generator auftretenden Leistungsverluste auszugleichen. Vorkommendenfalls
können ein oder mehrere Abscheider R1, R2 am Austritt aus dem Generator angeordnet
sein, um Öle oder ganz allgemein alle Nebenprodukte von wirtschaftlichem Wert zu
gewinnen. Die gereinigten oder ungereinigten Brenngase speisen unmittelbar die Verbrennungskammer
Chl, wobei die entwickelte Kraft durch die Öffnung des Ventils A geregelt wird.
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In einer Anlage dieser Art kann die Leistungsregelung der Turbinengruppe
nur sehr langsam geschehen; indem die Gaserzeugung im Gasgenerator vergrößert wird.
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Abb. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
das sich von -dem der Abb. i durch die zusätzliche Anordnung einer Hilfsgruppe
unterscheidet, die aus dem Kompressor C2, der Gasturbine T2 und vorkommendenfalls,
einem
zusätzlichen Wärmeaustauscher E2 besteht. Der Kompressor C2 saugt aus der Druckleitung
von C1 den Druckluftbedarf des Gasgenerators G, und bringt ihn auf einen höheren
Druck, um den Gasgenerator der Leistungsvorteile und des entsprechenden verminderten
Raumbedarfs teilhaftig «erden zu lassen. Die Hilfsturbine T2 setzt die Entspannungsarbeit
der aus dem Generator abgezogenen Gase bis auf den Druck der Verbrennungskammer
Chi in mechanische Energie um, die zum Antrieb des Hilfskompressors C2 dient. Schließlich
ist im besonderen Falle, wo die aus dem Gasgenerator austretenden Gase gereinigt
oder gekühlt sind, ein Wärmeaustanscher E2 in Reihe oder parallel zu dem Austauscher
Ei geschaltet und sichert die Aufwärmung der Gase zum Speisen der Hilfsgasturbine
von T2 mittels der aus der Hauptgasturbine T1 austretendenAbgase. DieWellen der
Hilfsmaschinen T2 und C2 sind direkt oder indirekt miteinander verbunden. Die überschüssige
Energie der Hilfsturbine T2 wird von einem Stromerzeuger G2 aufgenommen. Gegebenenfalls
wird noch notwendige zusätzliche Energie von einem Motor M2, etwa einem Elektromotor,
geliefert, der vom Stromerzeuger G1 gespeist wird, welcher seinerseits von der Hauptgasturbine
T1 angetrieben wird.
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Die Aufwärmung der Gase vor dem Eintritt in die Hilfsturbine T2 bietet
den Vorteil, die Abscheidungen der Brennstoffe in der Leitung und in der Hilfsturbine
vermindern zu können, wenn keine Erzeugung von Nebenprodukten stattfindet. Sie gestattet
außerdem die vollständigere Gewinnung der restlichen in den Abgasender Hauptturbine
T1 enthaltenen Wärmemengen und infolgedessen die Verbesserung der Leistung der Anlage.
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Da der Betrieb des Gasgenerators nicht nur Druckluft, sondern auch
vorzugsweise überhitzten Wasserdampf benötigt, wird man deshalb einen Kessel K mit
Überhitzer K1 (Abb. 3) in der Abgasleitung der Hauptturbine T1 verwenden. Die Dampferzeugung
dieses Kessels kann man gleichzeitig zum Einblasen von Dampf in den Generator (bei
h, Abb. 3) und für die Aufwärmung der Brenngase in dem Wärmeaustauscher E2 vor deren
Eintritt in die Hilfsturbine T, verwenden. Abb. 3 zeigt eine Speisepumpe P für den
Kessel K und ein Reduzierv entil H1 in der Rückleitung zum Speisebehälter, um den
in dem Dampfkreis erforderlichen Druck aufrechtzuerhalten.
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Abb. q. zeigt eine abgeänderte Ausführungsform nach der Erfindung,
bei der der Wärmeaustauscher E2 durch eine Hilfsverbrennungskammer Cla, besonderer
Bauart ersetzt ist. Tatsächlich muß dann eine geringere Brennluftmenge derart zugelassen
werden, daß nur ein ganz bestimmter Bruchteil der Brenngase zum Verbrennen kommt.
In Abb. 4. ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Hilfsverbrennungskammer
Ch2 gleichzeitig durch die Leitung a verdichtete Brennluft, durch die Leitung b
Brenngase aufnimmt und durch die Leitung c ein Gemisch aus Verbrennungsgas und Brenngas
abgibt. Die Hauptbrenngasmenge zur Speisung der Hauptgasturbinengruppe Tl-C1 geht
durch die Leitung d und wird durch die aus der Hilfsverbrennungskammer Ch2 durch
die Leitung c zuströmenden warmen Gase erhitzt. Die Regelung der Luft- und Brenngasmengen
erfolgt durch die Ventile B und D.
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Schließlich kann eine weitere unterschiedliche Ausführungsform der
Aufwärmung der aus dem Druckgenerator kommenden Brenngase durch einen Wärmeaustauscher
E3 (Abb. 5) erreicht werden, der die Verbrennungsgase einer Hilfsverbrennungskammer
Ch. aufnimmt, in der die Verbrennung unter einem etwas höheren Druck als dem der
Atmosphäre erfolgt. Die Speisung von Ch3 mit Brennluft wird dann durch ein aus Motor
und Gebläse bestehendes Aggregat Mg, Tl, gesichert, und die Brenngase werden unter
Einschaltung eines Reduzierventils F nach Ch3 geleitet. Gegenüber der Anordnung
nach Abb. q. vermeidet man dadurch die Belastung der der Hauptverbrennungskammer
Chl zugeführten Brenngase mit inerten Gasen.
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Das Wesen der oben beschriebenen Einrichtungen läßt sich ohne Beschränkungen
bei allen anderen Formen oder Einrichtungen von thermodynamischen Arbeitskreisläufen
anwenden, die die Hauptgasturbine T1 speisen, wie auch immer die verwendeten Arbeitskreisläufe
und Arbeitsgänge seien (offener Kreislauf, halboffener Kreislauf oder besondere
Zusammenstellung der Turbinen und Kompressoren).
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Sind mehrere Verbrennungskammern mit unterschiedlichen Druckes vorhanden
und wird mehrstufige Expansion mit Zwischenerhitzer in den Hauptturbinen aufgewendet,
so können an der Hilfsturbine T2 in verschiedenen Stufen Abzweigungen für expandiertes
Brenngas vorhanden sein, wie z. B. bei Dampfturbinen mit Zapfstellen.
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A'bb.6 zeigt eine Ausführungsform dieser Art, wo die Hilfsturbine
aus zwei in Reihe geschalteten, mechanisch gekuppelten Stufen T21 und T22 besteht.
Durch Entnanme von Brenngas zwischen den beiden Stufen T21 und T22 wird die Hochdruck-Brennkammer
Ch12 gespeist, die vor der Hochdruckturbine T12 in der Hauptturbinengruppe liegt,
und eine Gasentnahme am Austritt der zweiten Stufe T22 speist die Niederdruck-Brennkammer
Chli vor der N N iederdruckturbine T11.
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Was die Regelung einer Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung betrifft,
so bietet der Betrieb eines Gasgenerators unter einem höheren Druck als dem der
Hauptturbine den Vorteil, daß infolge der erheblichen unter Druck im Gasgenerator
und in den Anschlußleitungen angesammelte Gasmenge eine sehr rasche Leistungsregelung
erlaubt.
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In einer normalen Anlage bekannter Art, wie etwa in Abb. i, müßte
die Regelung der Leistung (z. B. für eine Leistungsverminderung) durch Drosselung
mit dem Ventil A des Zuflusses der Gase zur Hauptverbrennungskammer Chl geschehen.
Es würde sich daraus eine Senkung des Druckes in der Druckleitung des Hauptkompressors
C1 und auch des Gasgeneratordruckes ergeben, so daß mit Rücksicht auf den Inhalt
des Gasgenerators der endgültige Arbeitszustand nur nach einer
verhältnismäßig
langen Zeitspanne eintreten würde. Im umgekehrten Falle einer Erhöhung der Leistung
müßte, um einen neuen Gleichgewichtszustand zu erreichen, der Gasgenerator sich
mit Gasen eines neuen Betriebsdruckes füllen.
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Im Gegensatz hierzu kann die Regelung der Anlage nach der Erfindung
bei einem Gasgenerator mit erheblichem Überdruck normal und rasch erfolgen, und
zwar dadurch, daß z. B. auf die Drehzahl der Hilfsgruppe C2, T2 eingewirkt
wird. Man kann z. B. auf den Motor oder den Stromerzeuger (M2, G2) einwirken, wenn
diese mit veränderlicher Drehzahl arbeiten können, oder man kann auch den Zustand
des Arbeitsgases der Hilfsturbine 72 ändern, indem man die Temperatur der Gase durch
irgendein bekanntes Mittel oder durch Betätigung von an vorbestimmten Stellen des
Gaskreises angeordneten Ventilen ändert.
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Man kann auch im Gasgenerator einen konstanten Druck oder zwischen
dem Gasgeneratordruck und dem Hochdruck der Hauptturbinengruppe Chl, T1 einen konstanten
Unterschied oder ein konstantes Verhältnis oder jedes andere vorher bestimmte Gesetz
aufrechterhalten. Man kann im besonderen ein Gesetz zur Druckänderung wählen, z.
B: daß die Gasgeschwindigkeit im Gasgenerator den günstigsten Betrieb in diesem
entspricht, und zwar für alle Betriebszustände der Hauptturbine. Man weiß z. B.,
daß zur Sicherung eines zufriedenstellenden Betriebes des Gasgenerators eine gewisse
Durchgangsgeschwindigkeit der Gase oder der Luft und des Blasdampfes im Gasgenerator
aufrechterhalten werden muß. Wenn die Belastung der Hauptturbinengruppe heruntergeht,
werden auch die umgewälzten Mengen vermindert, und man kann die Drehzahlverminderung,
die daraus entsteht, durch eine Verminderung der Druckhöhe im Generator ausgleichen,
z. B. indem man die Hilfsgruppe C2, T2
langsamer laufen läßt. Die genaue Anpassung
des Arbeitsdruckes im Gasgenerator hängt im übrigen von anderen technologischen
Faktoren ab, wie etwa von der Beschaffenheit des verarbeiteten Brennstoffes, dessen
Körnung usw.
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Der wesentliche Vorteil aber, im Gasgenerator einen eiheblichen Überdruck
zu haben, liegt darin, sofort über eine wesentliche Reserve an Brenngas verfügen
zu können, um eine entsprechende Erhöhung der Leistung der Hauptturbinengruppe Chl,
Ti zu ermöglichen, indem man eine kurze Senkung des Überdruckes im Gasgenerator
mit in Kauf nimmt. Hierzu genügt es, einen Umgehungshahn H an der Hilfsturbine T2
(Abb. 2) oder an den Stufen T21, Z'22 dieser Turbine (Abb.6) anzuordnen, die man
im Falle eines wesentlichen Leistungsbedarfes öffnet, und Vorkehrungen trifft, um
den Leistungsmangel der Hilfsturbine entweder durch einen Energiezufluß vom Motor
M2 oder durch eine Verminderung der vom Stromerzeuger G2 aufgezehrten Leistung zu
kompensieren.
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Sollte aber auch diese Reserve noch nicht genügen, so kann man schließlich
z. B. für die Leistungsspitzen im Gasgeneratorkreis oder hinter der Hilfsturbine
T2 zusätzliche Kammern als Gassammelbehälter, einfügen, die die sofortige Verfügbarkeit
von Brenngas vor den Hauptverbrennungskammern erhöhen.